2. Электрогидравлические установки

Электрогидравлические установки ЭГУ относятся к установкам импульсной обработки давлением.

В основе работы электрогидравлических установок лежит преобразование электрической энергии в механическую в высоковольтном импульсном разряде внутри жидкости. Возникающие импульсные давления используются в следующих технологических процессах: разрушение и дробление горных пород; разрушение материалов в некоторых технологических процессах машиностроения (очистные операции всех видов, выбивка стержней из отливок); обработка металлов давлением (вытяжка из плоских заготовок куполообразных и крупногабаритных деталей сложной формы из трубчатых заготовок, получение местных выштамповок и т.п.); электрогидравлическая развальцовка со сваркой труб в трубных решетках теплообменных аппаратов; получение деталей типа втулок, стаканов из металлических и спеченных порошков.

Принцип действия и устройство электрогидравлической установки рассмотрим на примере ЭГУ для обработки металлов давлением (рис. 4). В разрядную камеру РК на матрицу М помещают подлежащий штамповке металлический лист Л. Верхняя

Рис. 4. Блок-схема электрогидравлической установки

часть листом часть камеры, содержащая электрод Э, заполняется водой. Электрод и камера подключены через разрядник Р к емкостному накопителю С энергии (батарея конденсаторов). Заряд его производится от высоковольтного выпрямителя ВВ, включенного в сеть через пускорегулирующее устройство ПРУ. Блок автоматики БА, сравнивающий напряжение на емкостном накопителе через делитель напряжения ДН с заданной блоком 3 величиной, управляет разрядником через блок поджига ПУ. При переводе разрядника в проводящее состояние между электродом Э, и стенкой камеры РК возникает импульсный электрический разряд, в котором выделяется энергия, накопленная батареей С. Возникающее при этом вокруг зоны разряда импульсное давление передается, жидкостью материалу заготовки, осуществляя ее формообразование. Для пластической деформации заготовки детали объемом V и известными механическими характеристиками необходимую энергию деформации Wд можно определить по формуле

, (15)

где, а – удельная работа деформации:

. (16)

Здесь и – коэффициенты аппроксимакции:

, , ₍₁₇₎

_{где δ – относительное удлинение; – предел прочности; е –} основание натуральных логарифмов; – степень деформации.

Вводимая энергия должна превышать W_Д на величину потерь; значение к.п.д. для различных операций примерно такие: для формовки, развальцовки 10-20 %, для вытяжки 5-15 %, для вырубки, пробивки с пуансоном 10 %.

С учетом к.п.д. энергия, запасаемая в источнике,

. (18)

Процессы дробления и измельчения материалов основываются на деформациях сжатия, растяжения, изгиба и сдвига с переходом напряжений за предел прочности материала. Согласно теории дислокаций, объясняющей явление разрушения с учетом атомно-молекулярной структуры, процесс разрушения происходит в три стадии:

1 – генерация свободных скользящих дислокаций (при прохождении фронта ударной волны);

2 – превращение скользящих дислокаций в полостные представляющие собой полости микроскопического размера;

3 – ростр трещины, образованной полостными дислокациями.

Воздействие импульсной нагрузки типа удара или взрыва на твердое тело проявляется в возникновении в нем волны напряжения, распространяющейся от места приложения нагрузки. Дробящее действие волны напряжения в неограниченной изолированной и неоднородной среде можно охарактеризовать, исходя из энергетического критерия разрушения.

Расход энергии на дробление согласно закона Риттенгера

, (19)

где k – коэффициент пропорциональности; S_Н – площадь вновь обнаженной поверхности.

На образование куска с характерным размером расходуется энергия

. (20)

Средняя объемная плотность энергии в среде для разрушения ее на куски размером d:

. (21)

Для разрушения твердого тела волной напряжения плотность вводимой механической энергии должна превышать значение W_p на значение тепловых потерь и рассеяния энергии на различных неоднородностях среды.

Конструкции ЭГУ. Электрогидравлические установки содержат два основных исполнительных механизма – технологический и энергетический, а также систему автоматики и комплекса вспомогательных устройств, обеспечивающих механизацию всех технологических операций процесса.

Технологический механизм является основной частью установки. Он состоит из разрядной камеры с электродами; технологической оснастки; системы водоснабжения с указателем наличия воды; механизмов перемещения электродов; устройств, обеспечивающих безопасность работы.

Конструкции технологических механизмов разнообразны и определяются характером технологического процесса.

Формы разрядных камер (рис. 5) определяются типом и формой электродов и условиями эффективной передачи энергии по заготовке. В серийных электрогидравлических прессах применяют универсальные разрядные камеры; в установках электрогидравлической очистки форма и размеры камеры определяются габаритами и способом загрузки очищаемых отливок (тупиковые и проходные установки периодического действия, конвейерные установки периодического и непрерывного действия).

а б в

Рис. 5. Формы разрядных камер: а – при непосредственном воздействии жидкостью; б – с жестким промежуточным звеном (металлом); в – с эластичным промежуточным звеном–резиной; 1 – электроды; 2 – заготовка; 3, 4 – разборная матрица; 5 – пуансон; 6 – резина

Одним из основных элементов электрогидравлической установки является электрод. Электроды должны обеспечивать герметичность в местах их ввода в разрядные камеры, а изоляция токопровода и токопроводящего стержня (полиэтилен) электрода должна исключить возможность развития разряда по поверхности электрода. Величина разрядного промежутка зависит от удельного сопротивления воды и параметров разрядного контура ( ) и обычно составляет от 10 до 25 мм (часто можно регулировать).

Электроды, предназначенные для работы в условиях пробоя разрядного промежутка, имеют сравнительно простую конструкцию, однако потери энергии в период формирования пробоя могут быть значительными (20-60 %). Кроме того, с помощью таких электродов не всегда можно обеспечить оптимальные условия выделения энергии в канале разряда. Поэтому широко распространены электроды в которых инициирование разряда осуществляется с помощью взрывающихся проволочек (особенно в установках с энергией в импульсе 80 кДж и более).

Электроды в ЭГУ являются одновременно элементами разрядного контура генератора и элементами технологического механизма установки. Параметры современных электродов изменяются в широких пределах: по величине преобразуемой энергии (1-10⁵ Дж); по току – (10²-10^вА); по напряжению (1-60 кВ). По принципу возбуждения электрического разряда в разрядном промежутке различают электроды свободного разряда и инициирующие.

Электрооборудование ЭГУ. Источником высоковольтных импульсных токов ЭГУ является конденсаторный накопитель энергии. Он состоит из зарядного устройства С, преобразователя энергии ВВ с пускорегулирующим устройством ПРУ, блока автоматики БА с задатчиком З и делителем напряжения ДН, поджигающего устройства ПУ и разрядника (тригатрона) Р.

Зарядное устройство может выполняться по различным схемам.

Среднее значение к.п.д. зарядного устройства является одним из основных показателей генераторов импульсных токов (ГИТ):

, (22)

где – энергия заряженного конденсатора; – энергия, теряемая в активном сопротивлении зарядного контура.

Наиболее простой в исполнении является схема ЗУ с активным токоограничивающим сопротивлением, к.п.д. ее 50 %, поэтому применяют ее только генераторах небольшой мощности. Большой к.п.д. можно получить в схемах с реактивными токоограничивающими сопротивлениями.

Для генераторов импульсных токов с низкой частотой следования импульсов наиболее приемлемы схемы заряда от источника переменного тока с выпрямителями.

Генераторы импульсных токов классифицируют по энергии в импульсе – малой (до 10³Дж), средней (10³-10⁴ Дж); числу каналов – одноканальные и многоканальные; длительности импульсов – наносекундные и микросекундные; частоте следования импульсов – низкочастотные (до 10 Гц) и высокочастотные (свыше 10 Гц).

Преобразователь энергии формирует импульс разрядного тока и преобразует накопленную в конденсаторах энергию в механическую и др. Наиболее простой и распространенной является схема с последовательным соединением конденсатора С, высоковольтного коммутатора Р и нагрузки (разрядной камеры) РК. Если по технологическим причинам необходимо осуществить одновременный разряд нескольких батарей кондесаторов (каждая на свою нагрузку), применяют другие схемы. Они представляют собой несколько одноэлектродных схем, присоединенных параллельно к одному источнику питания. Так как время формирования пробоя в жидкости и время разряда каждого из параллельных контуров имеет некоторый разброс даже при одновременном срабатывании коммутаторов, то для уменьшения энергии, переходящей при разряде из одного контура в другой, в цепь разряда конденсаторов включают активные или реактивные сопротивления или используют в качестве развязок высоковольтные диоды.

К высоковольтным импульсным конденсаторам предъявляют следующие требования: возможно больший запас энергии в единице объема; добротность и малая внутренняя индуктивность; высокая динамическая устойчивость всех контактных соединений; минимальный габарит и удобное соединение конденсаторов в батарею с малой индуктивностью; достаточно больший срок службы в режиме многократных разрядов на малые активные и индуктивные сопротивления.

В электрогидравлических установках импульсные конденсаторы работают на нагрузку в виде переменного сопротивления подводного искрового промежутка со средним активным сопротивлением от несколько Ом до десятых долей Ома. При индуктивности существующих генераторов 0,5-20 мкГ и указанных параметрах нагрузки затухающий колебательный разряд импульсного конденсатора имеет амплитуду разрядного тока от нескольких десятков до сотен тысяч ампер.

Кроме того, импульсные конденсаторы ЭГУ должны допускать 5-10 % разрядов в режиме к.з. В этом режиме разряд конденсаторов сопровождается значительным увеличением амплитуды разрядного тока и малым декрементом затухания. потери энергии в конденсаторе и динамические усилия, испытываемые секциями и выводами, при этом резко возрастают.

На основе бумажно-масляных диэлектриков созданы импульсные конденсаторы с касторовым маслом ИК. ИКВТ и ИКУ с дискретной укладкой фольги. Это повысило энергоемкость и срок службы конденсаторов и позволило создать малогабаритные генераторы высокоэффективные ЭГУ.

Одним из ответственных элементов разрядного контура генератора является высоковольтный коммутатор. Он предназначен для разъединения разрядной цепи в период зарядки импульсного конденсатора и для подключения конденсатора к нагрузке при достижении на нем заданного напряжения. В качестве высоковольтных коммутаторов в силовой импульсной технике применяют различные разрядники: вакуумные, высокого и атмосферного давления, с твердым диэлектриком. Разрядник должен длительное время рабочее напряжение генератора без пробоя и перекрытий по поверхности изоляции; иметь относительно малую индуктивность по сравнению с индуктивностью соединительных шин; обладать относительно малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением нагрузки; выдерживать коммутацию необходимой энергии при максимальном разрядном токе и периоде его колебаний; обеспечивать заданную частоту следования импульсов тока; обладать необходимой точностью срабатывания; удовлетворять санитарно-гигиеническим требованиям, предъявляемым к ЭГУ; иметь срок службы, обеспечивающий длительную и надежную эксплуатацию установки; иметь небольшую стоимость; быть удобным для монтажа и эксплуатации.

Широкое применение в ЭГУ получили воздушные импульсные разрядники; при соответствующем обслуживании они имеют высокую надежность и длительный срок службы. Применяют также закрытые воздушные искровые разрядники, рассчитанные на рабочее напряжение 5-100 кВ, максимальный разрядный ток 5-500 кА и коммутацию энергии от нескольких десятков сотен килоджоулей при длительности импульса тока от нескольких десятков до 100 и более микросекунд.

В ЭГУ, работающих на более низких напряжениях, используют управляемые воздушные разрядники. Показанный на рис. 6 искровой разрядник коммутирует энергию кондесаторной батареи 10-20 кДж при напряжении 5-10 кВ. Он состоит из наружного 1 и внутреннего 2 электродов, изолятора 3, инициирующего подвижного элемента 4, приводного штока 5,соединенного с электромагнитным приводом. Во избежании приваривания подвижного инициирующего электрода его выполняют из графита или меднографита. Для снижения интенсивного звукового давления, сопровождающего работу воздушного искрового разрядника, разрядник помещают в звукоизолирующий защитный кожух.

Рис. 6. Управляемый воздушный искровый разрядник

Соединение элементов зарядного контура и преобразователя энергии выполняется кабелями и проводами с учетом следующего: индуктивность соединительных элементов, связывающих емкостной накопитель с нагрузкой, должна быть минимальной; изоляция должна быть рассчитана на импульсные напряжения; конструкция соединительных элементов должна исключать возможность развития скользящих разрядов по поверхности изоляции; наружная изоляция отрицательной коаксиальной линии передачи энергии должна иметь электрическую прочность по отношению к заземлителю не менее (0,4 0,5)V; сечение токопроводов соединительных элементов должно обеспечивать прохождение больших импульсных токов без термического разрушения изоляции; токопроводы, изоляция и элементы крепления линии должны быть достаточно гибкими и противостоять электродинамическим нагрузкам.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. К каким установкам относятся электрогидравлические установки?

2. Принцип действия электрогидравлических установок?

3. Основное электрооборудование в схемах с ЭГУ.

4. Для чего необходимы импульсные конденсаторы в схемах ЭГУ?

5. Для чего необходимы генераторы импульсных токов в электрических схемах ЭГУ?

6. Какие существуют схемы с ЭГУ, их применение?